Músculo artificial

Los músculos artificiales , también conocidos como actuadores similares a músculos , son materiales o dispositivos que imitan el músculo natural y pueden cambiar su rigidez, contraerse reversiblemente, expandirse o rotar dentro de un componente debido a un estímulo externo (como voltaje, corriente, presión o temperatura). ^[1] Las tres respuestas de actuación básicas (contracción, expansión y rotación) se pueden combinar dentro de un solo componente para producir otros tipos de movimientos (por ejemplo, flexión, contrayendo un lado del material mientras se expande el otro lado). Los motores convencionales y los actuadores neumáticos lineales o rotativos no califican como músculos artificiales, porque hay más de un componente involucrado en la actuación.

Debido a su alta flexibilidad, versatilidad y relación potencia-peso en comparación con los actuadores rígidos tradicionales, los músculos artificiales tienen el potencial de ser una tecnología emergente altamente disruptiva . Aunque actualmente se usa de manera limitada, la tecnología puede tener amplias aplicaciones futuras en la industria, la medicina, la robótica y muchos otros campos. ^{[2] [3] [4]}

Si bien no existe una teoría general que permita comparar los actuadores, existen "criterios de potencia" para las tecnologías de músculos artificiales que permiten la especificación de nuevas tecnologías de actuadores en comparación con las propiedades musculares naturales. En resumen, los criterios incluyen estrés , deformación , tasa de deformación , ciclo de vida y módulo elástico . Algunos autores han considerado otros criterios (Huber et al., 1997), como la densidad del actuador y la resolución de la deformación. ^{[ cita requerida ]} A partir de 2014, las fibras musculares artificiales más potentes que existen pueden ofrecer un aumento de potencia de cien veces sobre longitudes equivalentes de fibras musculares naturales. ^[5]

Los investigadores miden la velocidad, la densidad energética , la potencia y la eficiencia de los músculos artificiales; ningún tipo de músculo artificial es el mejor en todas las áreas. ^[6]

Los músculos artificiales se pueden dividir en tres grupos principales según su mecanismo de actuación. ^[1]

Los polímeros electroactivos (EAP) son polímeros que pueden activarse mediante la aplicación de campos eléctricos. Actualmente, los EAP más destacados incluyen polímeros piezoeléctricos, actuadores dieléctricos (DEA), elastómeros de injerto electroestrictivos , elastómeros de cristal líquido (LCE) y polímeros ferroeléctricos. Si bien estos EAP pueden doblarse, sus bajas capacidades para el movimiento de torsión actualmente limitan su utilidad como músculos artificiales. Además, sin un material estándar aceptado para crear dispositivos EAP, la comercialización ha seguido siendo poco práctica. Sin embargo, se han logrado avances significativos en la tecnología EAP desde la década de 1990. ^[7]

Los EAP iónicos son polímeros que pueden activarse mediante la difusión de iones en una solución electrolítica (además de la aplicación de campos eléctricos). Los ejemplos actuales de polímeros electroactivos iónicos incluyen geles de polielectrodos, compuestos metálicos de polímeros ionoméricos (IPMC), polímeros conductores, geles de piromelitamida y fluidos electrorreológicos (ERF). En 2011, se demostró que los nanotubos de carbono retorcidos también podían activarse mediante la aplicación de un campo eléctrico. ^[8]

Los músculos artificiales neumáticos (PAM) funcionan llenando una vejiga neumática con aire presurizado. Al aplicar presión de gas a la vejiga, se produce una expansión de volumen isotrópica, pero está limitada por cables trenzados que rodean la vejiga, lo que traduce la expansión de volumen en una contracción lineal a lo largo del eje del actuador. Los PAM se pueden clasificar por su funcionamiento y diseño; es decir, los PAM presentan un funcionamiento neumático o hidráulico, un funcionamiento con sobrepresión o subpresión, membranas trenzadas/en red o incrustadas y membranas de estiramiento o membranas de reorganización. Entre los PAM más utilizados en la actualidad se encuentra un músculo trenzado cilíndrico conocido como músculo McKibben, que fue desarrollado por primera vez por JL McKibben en la década de 1950. ^[9]

Los músculos artificiales construidos a partir de hilo de pescar e hilo de coser comunes pueden levantar 100 veces más peso y generar 100 veces más potencia que un músculo humano de la misma longitud y peso. ^[10]

Las macromoléculas individuales se alinean con la fibra en fibras poliméricas disponibles comercialmente . Al enrollarlas en espirales, los investigadores crean músculos artificiales que se contraen a velocidades similares a los músculos humanos.

A diferencia de la mayoría de los materiales, una fibra polimérica (sin torcer), como el hilo de pescar de polietileno o el hilo de coser de nailon, se acorta cuando se calienta (hasta un 4 % aproximadamente si la temperatura aumenta a 250 K). Al torcer la fibra y enrollarla en una bobina, el calor hace que la bobina se estreche y se acorte hasta un 49 %. Los investigadores encontraron otra forma de enrollar la bobina de manera que el calor haga que la bobina se alargue un 69 %.

Una aplicación de los músculos artificiales activados térmicamente es abrir y cerrar ventanas automáticamente, respondiendo a la temperatura sin utilizar energía.

Los pequeños músculos artificiales compuestos de nanotubos de carbono retorcidos y rellenos de parafina son 200 veces más fuertes que los músculos humanos. ^[11]

Las aleaciones con memoria de forma (SMA), los elastómeros cristalinos líquidos y las aleaciones metálicas que se pueden deformar y luego recuperar su forma original cuando se exponen al calor pueden funcionar como músculos artificiales. Los músculos artificiales basados ​​en actuadores térmicos ofrecen resistencia al calor, resistencia al impacto, baja densidad, alta resistencia a la fatiga y gran generación de fuerza durante los cambios de forma. En 2012, se demostró una nueva clase de músculos artificiales activados por campo eléctrico y sin electrolitos , llamados "actuadores de hilo retorcido", basados ​​en la expansión térmica de un material secundario dentro de la estructura retorcida conductora del músculo. ^{[1] [12]} También se ha demostrado que una cinta de dióxido de vanadio enrollada puede torcerse y desenroscarse a una velocidad de torsión máxima de 200.000 rpm. ^[13]

Los tres tipos de músculos artificiales tienen diferentes restricciones que afectan el tipo de sistema de control que requieren para su activación. Sin embargo, es importante señalar que los sistemas de control suelen estar diseñados para cumplir con las especificaciones de un experimento determinado, y algunos experimentos requieren el uso combinado de una variedad de actuadores diferentes o un esquema de control híbrido. Por lo tanto, los siguientes ejemplos no deben considerarse una lista exhaustiva de la variedad de sistemas de control que pueden emplearse para activar un músculo artificial determinado.

Los polímeros electroactivos (EAP) ofrecen un peso menor, una respuesta más rápida, una mayor densidad de potencia y un funcionamiento más silencioso en comparación con los actuadores tradicionales. ^[14] Tanto los EAP eléctricos como los iónicos se activan principalmente mediante bucles de control de retroalimentación, mejor conocidos como sistemas de control de bucle cerrado. ^[15]

Actualmente existen dos tipos de músculos artificiales neumáticos (PAMs). El primer tipo tiene una vejiga única rodeada por una manga trenzada y el segundo tipo tiene una vejiga doble.

Los músculos artificiales neumáticos, aunque son ligeros y económicos, plantean un problema de control especialmente difícil, ya que son altamente no lineales y tienen propiedades, como la temperatura, que fluctúan significativamente con el tiempo. Los músculos artificiales neumáticos generalmente están compuestos de componentes de caucho y plástico. A medida que estas piezas entran en contacto entre sí durante el accionamiento, la temperatura del músculo artificial aumenta, lo que finalmente conduce a cambios permanentes en la estructura del músculo artificial con el tiempo. Este problema ha dado lugar a una variedad de enfoques experimentales. En resumen (proporcionado por Ahn et al.), los sistemas de control experimental viables incluyen control PID, control adaptativo (Lilly, 2003), control predictivo óptimo no lineal (Reynolds et al., 2003), control de estructura variable (Repperger et al., 1998; Medrano-Cerda et al., 1995), programación de ganancia (Repperger et al., 1999) y varios enfoques de computación blanda, incluido el control del algoritmo de entrenamiento Kohonen de redes neuronales (Hesselroth et al., 1994), control PID no lineal de redes neuronales (Ahn y Thanh, 2005) y control neuro-difuso/genético (Chan et al., 2003; Lilly et al., 2003).

Los problemas de control relacionados con sistemas altamente no lineales generalmente se han abordado mediante un enfoque de ensayo y error mediante el cual un experto humano con conocimientos podía extraer "modelos difusos" (Chan et al., 2003) de las capacidades de comportamiento del sistema (a partir de los resultados experimentales del sistema específico que se estaba probando). Sin embargo, algunas investigaciones han empleado "datos reales" (Nelles O., 2000) para entrenar la precisión de un modelo difuso dado y, al mismo tiempo, evitar las complejidades matemáticas de los modelos anteriores. El experimento de Ahn et al. es simplemente un ejemplo de experimentos recientes que utilizan algoritmos genéticos modificados (MGA) para entrenar modelos difusos utilizando datos de entrada y salida experimentales de un brazo robótico PAM. ^[16]

Este actuador consta de una membrana externa con una membrana flexible interna que divide el interior del músculo en dos partes. Un tendón se fija a la membrana y sale del músculo a través de un manguito para que el tendón pueda contraerse dentro del músculo. Un tubo permite que el aire ingrese a la vejiga interna, que luego se desenrolla hacia la vejiga externa. Una ventaja clave de este tipo de músculo neumático es que no hay movimiento potencialmente friccional de la vejiga contra un manguito externo.

Los músculos artificiales SMA, si bien son livianos y útiles en aplicaciones que requieren una gran fuerza y ​​desplazamiento, también presentan desafíos de control específicos; es decir, los músculos artificiales SMA están limitados por sus relaciones de entrada-salida histéresis y limitaciones de ancho de banda. Como comentan Wen et al., el fenómeno de transformación de fase SMA es "histéresis" en el sentido de que la hebra SMA de salida resultante depende del historial de su entrada de calor. En cuanto a las limitaciones de ancho de banda, la respuesta dinámica de un actuador SMA durante las transformaciones de fase histéresis es muy lenta debido a la cantidad de tiempo que se requiere para que el calor se transfiera al músculo artificial SMA. Se han realizado muy pocas investigaciones sobre el control SMA debido a suposiciones que consideran las aplicaciones SMA como dispositivos estáticos; sin embargo, se han probado diversos enfoques de control para abordar el problema de control de la no linealidad histéresis.

En general, este problema ha requerido la aplicación de compensación de bucle abierto o control de retroalimentación de bucle cerrado. Con respecto al control de bucle abierto , el modelo de Preisach se ha utilizado a menudo por su estructura simple y su capacidad para una fácil simulación y control (Hughes y Wen, 1995). En cuanto al control de bucle cerrado , se ha utilizado un enfoque basado en la pasividad que analiza la estabilidad de bucle cerrado del SMA (Madill y Wen, 1994). El estudio de Wen et al. proporciona otro ejemplo de control de retroalimentación de bucle cerrado, demostrando la estabilidad del control de bucle cerrado en aplicaciones de SMA mediante la aplicación de una combinación de control de retroalimentación de fuerza y ​​control de posición en una viga de aluminio flexible accionada por un SMA hecho de Nitinol . ^[17]

Los polímeros quimiomecánicos que contienen grupos que son sensibles al pH o que sirven como sitio de reconocimiento selectivo para compuestos químicos específicos pueden servir como actuadores o sensores. ^[18] Los geles correspondientes se hinchan o encogen reversiblemente en respuesta a tales señales químicas. Una gran variedad de elementos de reconocimiento supramolecular se pueden introducir en polímeros formadores de gel , que pueden unirse y usar como iniciadores iones metálicos, diferentes aniones, aminoácidos, carbohidratos, etc. Algunos de estos polímeros exhiben una respuesta mecánica solo si están presentes dos químicos o iniciadores diferentes, actuando así como puertas lógicas. ^[19] Estos polímeros quimiomecánicos también son prometedores para la administración dirigida de fármacos . Los polímeros que contienen elementos que absorben la luz pueden servir como músculos artificiales controlados fotoquímicamente.

Las tecnologías de músculos artificiales tienen un amplio potencial de aplicación en máquinas biomiméticas , incluidos robots, actuadores industriales y exoesqueletos motorizados . Los músculos artificiales basados ​​en EAP ofrecen una combinación de peso ligero, bajos requisitos de energía, resistencia y agilidad para la locomoción y la manipulación. ^[2] Los futuros dispositivos EAP tendrán aplicaciones en la industria aeroespacial, automotriz, medicina, robótica, mecanismos de articulación, entretenimiento, animación, juguetes, ropa, interfaces hápticas y táctiles, control de ruido, transductores, generadores de energía y estructuras inteligentes. ^[3]

Los músculos artificiales neumáticos también ofrecen mayor flexibilidad, controlabilidad y ligereza en comparación con los cilindros neumáticos convencionales. ^[20] La mayoría de las aplicaciones de PAM implican la utilización de músculos similares a los de McKibben. ^[20] Los actuadores térmicos como los SMA tienen varias aplicaciones militares, médicas, de seguridad y robóticas, y además podrían usarse para generar energía a través de cambios de forma mecánica. ^[21]

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